水電站引水隧洞鋼模臺(tái)車弧形模板有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

水電站引水隧洞鋼模臺(tái)車弧形模板有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

1承圓弧形狀其中之一是用拱門鋼模塊法拉迪沃斯塔特爾曼法測(cè)試車的方案。指針的螺紋連接為圓形。在牽引裝置的作用下,模板在針梁上滑動(dòng),混凝土澆筑施工使用過程中針梁承結(jié)構(gòu)載荷和混凝土澆筑載荷,弧形模板承受著澆筑時(shí)的混凝土壓力,隨著澆筑時(shí)段的變化,弧形模板的受力位置大小都發(fā)生變化,其受力復(fù)雜,因此鋼模臺(tái)車模板的設(shè)計(jì)計(jì)算顯得尤為重要。2弧形模板施工三峽電站引水隧洞鋼模臺(tái)車的模板從截面方向看,其整個(gè)模板圓周直徑為13500mm,分為5個(gè)部分,弧度分別為:底模100°,兩塊側(cè)模分別72°,兩塊頂模分別為58°。每塊模板在軸向方向又分為4塊,成弧形布置。其軸線半徑,即隧道半徑為40000mm。每塊弧度為2.5°,一共10°,即每次施工澆注10°。如圖1、圖2所示。為了更詳細(xì)的說明弧形模板的結(jié)構(gòu),使用繪圖軟件PRO/ENGNEER進(jìn)行三維建模。部分零件和整體模板裝配圖,如圖5所示。鋼材為q235鋼?；⌒蚊姘搴穸葹?mm,半月亮形腹板厚度為10mm。在各塊2.5°的單模板的兩側(cè)各加有一塊弧形翼板,其長(zhǎng)度和各模板長(zhǎng)度一樣,截面尺寸為(10×250)mm.,在板的兩頭也加有側(cè)板,面板背面每隔600mm弧長(zhǎng)有一根縱向L63×6的角鋼。3面模的建立和材料屬性的體現(xiàn)由于將以上用PRO/E建立的實(shí)體模板模型導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中產(chǎn)生的各個(gè)零件之間連接不好、且曾在多線重合的狀況。因此終于找到了一種解決以上兩種問題的方案:先在PRO/E里面把整個(gè)模板簡(jiǎn)化并作為一個(gè)零件來建模,這樣保證各個(gè)部分之間的有效連接,利用PRO/E曲面建模功能建立弧形模板曲面和曲線,然后保存為IGES格式后導(dǎo)入到ANSYS里面,刪除不必要的曲面和曲線,進(jìn)行必要的修補(bǔ)。為了真實(shí)反映L型鋼、縱筋板同面板之間的連接關(guān)系,對(duì)L型鋼、縱筋板做了偏置。材料屬性采用Isotropic,彈性模量為2.06e5MPa,泊松比0.3。面板和腹板采用殼單元,其它型鋼采用梁?jiǎn)卧?。網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格劃分,建立好的有限元模型,如圖6所示。4限制條件和負(fù)荷4.1液壓油缸端部約束的施加根據(jù)模板在整個(gè)鋼模臺(tái)車中的支撐,如圖7所示。經(jīng)分析和一定簡(jiǎn)化,在液壓油缸端部施加3方向約束(X,Y,Z),在底模的4個(gè)加強(qiáng)腹板的底部與支架的兩連接處施加所有方向的約束,如圖8所示。4.2混凝土凝固速度混凝土與其它液體(或液態(tài)物質(zhì))不同之處在于其具有時(shí)間效應(yīng),即隨著澆注時(shí)間的增加,其流動(dòng)性逐漸喪失,慢慢由流動(dòng)和半流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài),對(duì)模板的壓力也逐漸減小至消失。文獻(xiàn)中關(guān)于混凝土的側(cè)壓力給出了另一個(gè)計(jì)算公式:F=0.22γct0β1β2V1/2(1)凝時(shí)間;V—混凝土在高度方向上的澆筑速度。式(1)全面考慮了混凝土的初凝時(shí)間、澆注時(shí)間、外加劑和坍落度對(duì)初凝時(shí)間的修正,計(jì)算結(jié)果相對(duì)符合實(shí)際情況。根據(jù)此公式計(jì)算得到三峽臺(tái)車混凝土最大壓力值約為5t/m2。即有如圖9所示壓力作用曲線。另外,對(duì)于鋼模臺(tái)車,澆注時(shí)混凝土的澆注速度控制在弧長(zhǎng)1m/h,從底部向頂部?jī)啥藢?duì)稱澆注,而混凝土一般在澆注4h后,下部的混凝土發(fā)生初凝,轉(zhuǎn)化成為固態(tài),對(duì)模板的壓力也就消失,那么在臺(tái)車整個(gè)襯砌高度施加壓力也是不合理的。因此將模板澆注混凝土過程分為6個(gè)工況:澆注過程中每弧長(zhǎng)4m一個(gè)工況,剛好符合凝固速度,澆注完成完全凝固后一個(gè)工況。如圖10～圖15所示。5澆注側(cè)模時(shí)的應(yīng)力和變形通過以上六個(gè)工況的有限元分析,得到臺(tái)車各狀態(tài)下總體變形和應(yīng)力情況。挑選典型工況4展示ANSYS分析圖,如圖16～圖18所示。側(cè)模澆注混凝土?xí)r,在臺(tái)車混凝土澆注部位出現(xiàn)較大的應(yīng)力和變形。對(duì)各工況進(jìn)行比較可以看出特別在側(cè)模板靠下部和中部澆注時(shí)應(yīng)力和變形相對(duì)要大。因此為了防止在側(cè)模澆注的過程產(chǎn)生過大的變形,可以在側(cè)模板處拉一些鋼筋。從工況2的計(jì)算結(jié)果可以看出,在澆注側(cè)模時(shí),模板的應(yīng)力達(dá)到較大的值,但最大應(yīng)力值141.275MPa小于許用應(yīng)力200MPa,滿足強(qiáng)度要求。全部凝固后最大變形為3.803小于10mm,滿足剛度要求。6優(yōu)化方案參數(shù)分析為了保證模板的剛度、強(qiáng)度的前提下,節(jié)約材料降低成本,現(xiàn)選取其中具有代表性的側(cè)模板上的一塊2.5°的弧形模板作為設(shè)計(jì)方案優(yōu)化案例,如圖19～圖21所示。優(yōu)化方案將月亮形腹板改為桁架結(jié)構(gòu)。其中底部和頂部中間橫梁為18號(hào)工字鋼,中間用垂直10號(hào)槽鋼,頂部短縱筋為75×8角鋼,頂部四周側(cè)邊為截面10×250板材。將最外側(cè)兩根槽鋼向中間傾斜放置,可使其應(yīng)力均勻分布,從而減小了應(yīng)力的最大值。優(yōu)化方案最大變形為3.9mm,發(fā)生在模板頂部中點(diǎn)處。最大應(yīng)力為154.2MPa,發(fā)生在兩端斜支的整根槽鋼上,且在此槽鋼上均勻分布。原方案單塊模板質(zhì)量為3.57t,優(yōu)化方案為2.75t,優(yōu)化方案與原方案相比減小了模板重量的22.97%,節(jié)約了成本。其剛度和強(qiáng)度都滿足工作要求。此結(jié)構(gòu)桿件的布置符合應(yīng)力的分布趨勢(shì)。7從不同的工作工況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,進(jìn)行了比對(duì)化、重新調(diào)整的模首先對(duì)針梁鋼模臺(tái)車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,建立了模板的三維模型,在使用軟件ANSYS對(duì)弧形模板進(jìn)行剛度和強(qiáng)度校核時(shí),根據(jù)其實(shí)際工作情況,把其分為6個(gè)工況分別進(jìn)行分析,其分析結(jié)果更符合實(shí)況,結(jié)果顯示其滿足工作要求。在剛度和強(qiáng)度校核之后,為了減輕重量,節(jié)約成本,進(jìn)行了